基于電化學(xué)放電加工工藝的玻璃微細(xì)加工研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，人類社會(huì)取得了飛速的發(fā)展，特別是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的興起，更是為科技社會(huì)的進(jìn)步增添了強(qiáng)大的動(dòng)力。以玻璃為代表的非導(dǎo)電硬脆材料在MEMS領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是由于它們的硬脆特性，使得很難對(duì)其進(jìn)行微細(xì)加工。電化學(xué)放電加工（ECDM）已被證實(shí)是一種對(duì)于玻璃等非導(dǎo)電硬脆材料的微細(xì)加工具有很好前景的特種加工工藝，它具有加工效率相對(duì)較高、裝置簡(jiǎn)單、成本低、加工柔性好等特點(diǎn)。本文首先探討了電化學(xué)放電加工機(jī)理，而后基于火花放電

2、效應(yīng)搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，并分別對(duì)玻璃的微孔加工、微槽加工以及三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.研究了電化學(xué)放電加工機(jī)理，重點(diǎn)對(duì)電化學(xué)放電加工過(guò)程中氣層的形成以及材料的去除進(jìn)行了探討。將氣層的演變過(guò)程概括為三部分，包括氣泡的生成、氣泡的溢出以及穩(wěn)定氣層的形成，并結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，分別進(jìn)行了理論分析。對(duì)材料的去除機(jī)理進(jìn)行探討，主要從熱蝕去除材料以及化學(xué)腐蝕去除材料兩方面進(jìn)行討論；對(duì)材料的熱蝕去除建立了火花放

3、電作用下的溫度分布模型，并由此分析了電化學(xué)放電加工過(guò)程中的熱傳遞過(guò)程以及實(shí)現(xiàn)材料熱蝕去除所需的最低溫度。
　　2.研究了電化學(xué)放電特性。分析了在不同參數(shù)條件下，產(chǎn)生電化學(xué)放電效應(yīng)的臨界電壓，其中包括采用不同類型和濃度的電解液、采用不同直徑的工具電極、將電極設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速以及設(shè)置不同的電源頻率和占空比。試驗(yàn)結(jié)果表明，除了電極轉(zhuǎn)速變化以外，其他參數(shù)的改變對(duì)臨界電壓都有較大的影響。另外，還通過(guò)對(duì)電流信號(hào)的采集，分析了電化學(xué)放電氣層形成時(shí)

4、間以及火花放電時(shí)的平均電流隨脈沖電壓的變化關(guān)系。
　　3.進(jìn)行了電化學(xué)放電微孔加工試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，分析了在電化學(xué)放電微孔加工過(guò)程中，脈沖電源電壓和頻率的變化對(duì)微孔加工效果的影響，如加工效率、孔極限加工深度、孔入口直徑以及孔入口表面形貌等。試驗(yàn)結(jié)果表明，選取較高電源電壓或者較低的電源頻率，能夠明顯提高加工效率和增大微孔極限加工深度，但是同時(shí)也會(huì)帶來(lái)微孔入口直徑的增大以及微孔入口處表面質(zhì)量較差的缺陷。在本試驗(yàn)條件下，選取電源電壓和

5、電源頻率分別為21V和600Hz進(jìn)行加工，可以獲得較為理想的微孔。
　　4.進(jìn)行了電化學(xué)放電微槽及三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工試驗(yàn)。探討了電化學(xué)放電加工所得微槽的粗糙度隨外部參數(shù)變化的情況。其中主要包括脈沖電源電壓和頻率的變化、加工過(guò)程中進(jìn)給速度的變化以及工具電極轉(zhuǎn)速的變化等。結(jié)果表明，粗糙度隨電源電壓的升高而增大，但隨著電源頻率和進(jìn)給速率的增大而減小，而電極轉(zhuǎn)速的變化對(duì)微槽表面粗糙度值沒(méi)有太大的影響。最后選用合理的加工參數(shù)，并采用逐層加工